CN108282031B - 一种非接触电能传输装置及绕组结构辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性行波预激励的绕组结构辨识方法及非接触电能传输装置，该非接触电能传输装置包括预激励绕组，预激励用功率变换单元、原边磁芯、控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元以及负载。所述绕组结构辨识方法为：通过对原边预激励绕组施加灵活、可调的激励来构造得到磁场幅度和波峰、波谷位置可调的柔性行波磁场，依据副边输出反馈或预激励侧功率采样信号随磁场变化的分布趋势（单峰或多峰）的不同来判断副边绕组结构（盘式或DD）。本发明所提基于柔性行波预激励的绕组结构辨识方法，其优点在于，其原边预激励绕组可以为原边功率发射绕组，也可以为附加绕组，简单可靠，易于实施。

Description

一种非接触电能传输装置及绕组结构辨识方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术、非接触供电技术，具体涉及一种非接触电能传输装置及绕组结构辨识方法。

背景技术

非接触供电利用磁场耦合实现“无线供电”，即采用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得在能量传递过程中原边(供电侧)和副边(用电侧)无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电，具有良好的应用前景。

虽然非接触供电优点突出，但是依然存在一些问题影响无线供电技术的产业化应用。以电动汽车无线充电应用为例，实现不同汽车产商与充电供应商之间产品的兼容性是其进入推广、应用阶段必须要解决的一个关键问题。实际应用中的兼容性主要集中在供电设备与不同充电设备在功率等级、充电间距、绕组结构等方面；其中，又以绕组结构的兼容性的实现最为困难。

显然，不同绕组结构的准确识别，是解决绕组结构兼容性问题关键的一步。目前，主流的副边绕组结构包括DD(如图2)和盘式(如图3)两种结构。DD和盘式两种绕组结构的磁通耦合示意图分别如图4、图5所示。由于两类绕组结构在与原边绕组配合时的耦合特性、磁场要求完全不同，因此绕组结构辨识影响后续磁场调控、功率控制等。目前关于绕组结构辨识的研究较少，主要通过原副边的通信提前告知。

对此，本发明提出了基于“柔性行波预激励”的绕组结构辨识方法。所谓“柔性行波磁场预激励”，即通过对非接触供电系统的原边预激励绕组施加自由、灵活、可变的激励来实现对空间磁场动态调节，根据原副边的反馈信号的变化趋势来判断副边绕组结构。其优点在于,预激励原边绕组可为专用辨识绕组，也可以与原边主功率绕组公用，都可以快速准确的实现副边绕组结构辨识，简单可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：非接触电能传输系统中副边绕组结构的辨识问题，即副边绕组为盘式绕组还是DD绕组的辨识问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：该装置包括预激励绕组，预激励用功率变换单元、原边磁芯、控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元以及负载；

其中，所述预激励绕组可以共用原边功率绕组，也可以为附加绕组；所述预激励绕组可包括一个或多个绕组单元，每个绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位可由控制器通过预激励用功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置连续可调的柔性行波磁场；预激励用功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；控制器通过施加变化的柔性行波激励，实现副边绕组的绕组结构辨识。

其中，所述预激励绕组可由多个预激励绕组单元通过平移、旋转及其组合方式，构成得到。

其中，所述装置还包括原副边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路，原副边可通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、射频或红外中的一种或多种方式进行无线通信。

相比于传统无线充电装置，本装置的本质差别在于，原边预激励绕组线圈电流施加行波激励可构成柔性行波磁场-波峰位置(长轴位置x_m)、波谷位置(短轴位置x_n)受控可调的空间磁场。为了便于理解，此处首先对磁场长轴位置(x_m)、短轴位置(x_n)的含义作出说明。如附图6所示，以原边预激励绕组由两个线圈构成为例，当副边方形线圈的中心位置(x_s)变化时(此处以沿x轴移动为例)，不同位置x_s下的副边输出电压不同。而对于传统行波磁场，不同位置x_s下的输出电压相同，但输出电压较小，增益低，且功率传输效率不高。并且在传统的行波激励中，原边绕组或预激励绕组的激励参数固定，不随副边位置调整。在本发明中，对于任一固定的预激励线圈激励参数(激励电流幅值大小、相位关系)，副边中心移动至输出电压最大的位置，即为磁场长轴位置x_m(磁场波峰)；副边输出电压最小值所在位置，即为磁场短轴位置x_n(磁场波谷)。最大输出电压V_o表征该种激励条件下的磁场幅度L。在不同的原边激励下，长轴位置x_m、短轴位置x_n也各不同。本专利所提方案中，原边绕组优先采用分布式绕制，保证波峰、波谷位置在不同激励条件下实现连续受控可调。长轴位置(x_m)、短轴位置(x_n)与原边绕组各线圈电流的激励关系，随原边绕组的分布的变化而变化，可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到，或者离线计算生成离线表，也可由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真得到离线查找表。

原边预激励绕组由两线圈构成时的一种离线表构成如下(无数据)：

一种基于柔性行波预激励的副边绕组结构辨识方法，该方法通过对非接触供电系统的原边绕组施加自由、灵活、可变的激励来实现对空间磁场动态调节，根据原副边的反馈信号的变化趋势来判断副边绕组结构。该方法具体步骤如下：

步骤(1)

以预激励绕组中心为参考，确定磁场长轴移动的位置区间；

步骤(2).

对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成柔性行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；控制器根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查离线表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组激励下的原边输入功率和/或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,Q/L²)数据表；变化激励，控制器得到Q/L²随x_m的变化趋势；

步骤(3).

控制器通过判断(x_m,Q/L²)数据表中Q/L²随x_m线性变化时的单/多峰特性来判断副边为盘式结构或DD结构。

其中，步骤(2)中：对预激励绕组所施加激励，可采用固定绕组电流幅值改变电流相位或固定绕组电流相位改变电流幅值或恒定磁场幅度L激励的方式进行Q/L²的变化趋势判断，其中，恒定磁场幅度L激励下的电流、相位关系可实时计算或查表得到。

其中，步骤(2)中的原边输入功率/副边输出功率，若输入电压/输出电压恒定时，可用输入电流/输出电流大小表征输入功率/输出功率；若输入电流/输出电流恒定，可用输入电压/输出电压表征输入/输出功率。

其中，步骤(2)中Q/L²随x_m的变化趋势判断，在剔除异常数据后可采用固定步长遍历、滑动平均判断或变步长判断方法。

其中，步骤(2)中激励的电流大小及相位关系可根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律计算得到，也可由Ansys、Comsol等电磁场仿真软件通过仿真得到。

其中，步骤(3)中，若其中Q/L²随x_m的移动呈单峰分布，则副边为盘式结构；若其中Q/L²随x_m的移动呈双峰或多峰分布，则副边为DD结构。

更特殊的，步骤(2)中，若原边预激励绕组单元由沿直线布置、重叠50％的两个独立线圈组成的，电流激励与长轴位置x_m、短轴位置x_n与所需施加激励关系如式(1)所示：

其中L表征磁场长轴处的磁感应强度大小,I₁、I₂为两个线圈的电流大小，

为I₂相对于I₁相位差，a为线圈宽度,x_m、x_n以原边绕组线圈最左侧为原点。当采用恒定磁场幅度L激励方式时，即调节I₁、I₂、来保证L恒定。将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L。将所需的x_m、x_n、L的带入上述方程同样可以求解得到所需施加的电流激励大小及相位差。

所述原边线圈数量越多，磁场长短轴的移动范围越大。其中，当原边绕组由更多线圈构成时，其磁场长短轴与激励电流关系可由两线圈公式推广得到。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明设计一种基于柔性行波磁场定向调控的非接触电能传输装置，通过“柔性行波”预激励的方法，不借助外加传感器，利用功率线圈本身，实现副边线圈绕组结构的准确、快速的判断。同时本发明所述方法不依赖于原副边通信，仅依靠原边侧信息也可实现副边绕组结构辨识，为后续功率控制提供绕组结构信息。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明传输装置示意图；

图2为现有DD绕组结构示意图；

图3为现有盘式绕组结构示意图；

图4为现有DD绕组磁场耦合示意图；

图5为现有盘式绕组磁场耦合示意图；

图6为磁场长轴位置x_m、短轴位置x_n说明图；

图7为实施例一绕组结构辨识装置示意图；

图8为实施例一中原副边相对位置示意图(盘式)；

图9为实施例一中原副边相对位置示意图(DD)；

图10为实施例二中原副边相对位置示意图(盘式)；

图11为实施例二中原副边相对位置示意图(DD)；

图12为实施例三中原边预激励绕组示意图；

图13为测试例一中盘式绕组结构辨识仿真结果；

图14为测试例一中DD绕组结构辨识仿真结果；

图15为测试例二中盘式绕组结构辨识仿真结果；

图16为测试例二中DD绕组结构辨识仿真结果；

图中，101表示预激励用功率变换单元(包含逆变器、补偿网络)，102(包括原边绕组单元102A、102B、102C、102D、102E、102F)为预激励绕组，103表示原边磁芯，104为原边控制器，其中102A；201为副边绕组，202为副边磁芯；301为气隙；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一：

图7-图9为本发明实施例一的示意图。

如图7所示，该装置由预激励用功率变换单元101，预激励绕组单元102A(线圈102A1、102A2)，原边磁芯103，控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。

图8、图9为本实施例中盘式副边、DD副边的原副边相对位置示意图。如图所示，原边预激励线圈102A1、102A2沿x方向直线布置，互相重叠50％；两线圈x方向宽度即横向宽度为a。所施加电流的大小及相位可由控制器自由、灵活的调节，与负载以及耦合大小无关。副边绕组线圈的中心位置设为x_s。

基于行波预激励的绕组结构辨识方法，具体实施步骤如下：

(1)以预激励绕组为参考，确定磁场长轴x_m的移动位置区间，[a/2,a]；

(2)对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组激励下的原边输入功率和/或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,Q/L²)数据表；变化激励，控制器得到Q/L²随x_m的变化趋势；

本例采用恒定磁场幅度L激励遍历的方法，长轴位置x_m与激励关系可由下式可求得；

其中，I₁、I₂分别为线圈102A1、线圈102A2的电流大小，

为I₂相对于I₁相位差。具体施加激励数值可由原边数字控制器在线计算，也可以离线计算，由控制器插值、拟合得到。此处给出一组离线计算得到的激励表(N＝19)：

表一

(3)控制器通过判断表中Q/L²的单峰或多峰分布特性判断得到副边为盘式结构或DD结构；

若其中Q/L²随x_m的变化呈单峰分布，则副边为盘式结构；

若其中Q/L²随x_m的变化呈双峰或多峰分布，则副边为DD结构。

实施例二：

图10、图11为本发明实施例二的绕组示意图。

本测试例所采用装置与图7类似，由原边预激用功率变换单元101，预激励绕组单元102A，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。

不同于实施例一，本例原边预激励绕组单元由三个线圈：102A1、102A2、102A3构成。每个线圈的横向宽度为a。三线圈沿直线(设为x方向)布置，相邻两线圈各重叠50％。所施加电流的大小及相位可由控制器自由、灵活的调节，与负载以及耦合大小无关。

基于行波预激励的绕组结构辨识方法，具体实施步骤如下：

(1)以预激励绕组为参考，确定磁场长轴的移动位置区间，[a/2,3a/2]；

(2)对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；根据激励的电流大小及相位关系可实时计算或查表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度为L，控制器检测、存储每组激励下的原边输入功率和/或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,Q/L²)数据表；变化激励，控制器得到Q/L²随x_m的变化趋势；

本例采用恒定磁场幅度L激励遍历的方法，长轴位置x_m与激励关系可由下式可求得；

其中，当x_m小于等于a时，I₁、I₂分别为线圈102A1、线圈102A2的电流大小，

为I₂相对于I₁相位差，线圈102A3电流为0；当x_m大于等于a时，I₁、I₂分别为线圈102A3、线圈102A2的电流大小，

为I₂相对于I₁相位差，线圈102A1电流为0。可见，任意时刻原边最多只有两个线圈施加电流。磁场长轴位置x_m折算得到长轴电角度x_m,L表征磁场长轴处的磁感应强度大小。

(3)控制器根据P(x_m,Q/L²)表判断得到副边绕组结构，为功率控制提供辅助信息。

若其中Q/L²随x_m的移动呈单峰分布，则副边为盘式结构；

若其中Q/L²随x_m的移动呈双峰或多峰分布，则副边为DD结构。

实施例三

图12给出了本实施例原边预激励绕组分布示意图；102A、102B、102C、102D、102E、102F为多个预激励绕组单元通过平移、旋转构成原边预激励绕组的示意图。非接触电能传输装置的其余部分，包括：原边功率变换单元101(包含逆变器和补偿网络)，原边磁芯103，原边控制器104，副边绕组201，副边磁芯202。原副边之间有气隙301。本实施例中副边绕组结构辨识方法，同上述实施例类似，此处不再赘述。

测试例一：

本仿真电路参照实施例一中所示电路，进行基于柔性行波预激励的绕组结构辨识验证。非接触变压器的预激励绕组、副边绕组均采用Lize线绕制，原边预激励基本线圈单元内每个线圈的尺寸为：15cm*6cm,7匝，分布绕制；原副边磁芯采用铁氧体；预激励用功率变换单元由“全桥逆变+LCL型谐振补偿电路+功率检测模块”组成，其输出电流(即为与其相联的预激励线圈的输入电流)的频率、大小、相位取决于控制器的输入PWM波占空比的频率、大小、相位；副边功率变换单元同样为“谐振补偿网络+整流电路”，其输出电压作为本例副边反馈Q值。

原边预激励绕组有两个线圈，此时柔性行波磁场长轴的移动范围为7.5～15cm。若增加线圈数量，可以扩大柔性行波磁场调控区域。

根据(1)式离线计算得到一组不同长轴位置对应所需施加激励大小和相位同表一，此处不再赘述：

本测试例副边绕组分为两种，盘式绕组(尺寸5*5cm，共14匝)以及DD绕组(2*(5*5cm),14匝)；负载电阻R_L固定，为5欧姆；已输出电压表征Q。在上述激励条件下，测得各长轴位置处的Q/L²，验证本发明所述绕组结构辨识方法的有效性。

图13给出了不同副边位置下盘式绕组结构辨识数据曲线，可见不论副边位置如何变化(在长轴移动范围内)，Q/L²随长轴位置x_m的变化总是呈现单峰分布，证明了本发明所提绕组结构辨识方法的有效性。

图14给出了不同副边位置下DD绕组结构辨识Q/L²随x_m变化的数据曲线，可见不论副边位置如何变化(在长轴移动范围内)，副边输出电压随长轴位置变化呈现双峰分布(V形分布)；当原边数量增加时，类似于驼峰状的双峰分布将更为明显，证明了本发明的有效性。

测试例二：

本仿真电路参照实施例二中所示电路，进行基于柔性行波绕组结构辨识仿真验证。非接触变压器的预激励绕组、副边绕组均采用Lize线绕制，原边预激励绕组基本线圈单元内每个线圈的尺寸为：15cm*6cm,7匝，分布绕制；原副边磁芯采用铁氧体；预激励用功率变换单元为“全桥逆变+LCL型谐振补偿电路+功率检测模块”，其输出电流(即为与其相联的原边预激励线圈的输入电流)的频率、大小、相位取决于控制器的输入PWM波占空比的频率、大小、相位；副边功率变换单元同样为“谐振补偿网络+整流电路”，其输出电压作为本例副边反馈Q值。

不同于上以测试实例，本例中原边预激励绕组由三个线圈构成，各重叠50％，故“柔性行波磁场”长轴移动范围为0.075～0.225m。若原边线圈的数量继续增加，可以扩大柔性行波磁场调控区域。

图15给出了原边三线圈布置时不同副边位置下盘式绕组结构Q/L²随长轴位置x_m变化的数据曲线，盘式绕组的单峰分布特性明显。同时易见，原边数量增加后Q/L²的单峰分布的趋势变得更为明显，证明了本发明所提方法的有效性。

图16给出了不同副边位置下DD绕组结构Q/L²随长轴位置x_m变化的数据曲线，可见不论副边位置如何变化(限长轴移动范围内)，Q/L²即输出电压随长轴位置x_m变化呈现明显的双峰分布规律，证明了本发明所提方法的有效性。同时可见，原边数量增加时，DD绕组的类似于驼峰状的双峰分布的趋势变得更为明显。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔性行波预激励的非接触电能传输装置，该装置包括预激励绕组，预激励用功率变换单元、原边磁芯、控制器、副边绕组、副边磁芯、副边功率变换单元以及负载；

其特征在于：预激励绕组为共用原边功率绕组或为附加绕组；预激励绕组包括一个或多个绕组单元，每个绕组单元至少包含两个空间位置不同的独立线圈，且至少有两个线圈的激励电流大小以及相位可由控制器通过预激励用功率变换单元独立调节，来构造形成磁场幅度和波峰、波谷位置连续可调的柔性行波磁场；预激励用功率变换单元包含逆变器和补偿网络为线圈提供激励；控制器通过施加变化的行波激励，实现副边绕组的绕组结构辨识。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预激励绕组由多个预激励绕组单元通过平移、旋转或其组合方式，构成得到。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括原副边电压和/或电流和/或功率检测或估算电路，原副边通过蓝牙、WIFI、ZigBee、磁反馈、射频或红外中的一种或多种方式进行无线通信。

4.基于权利要求1所述非接触电能传输装置的柔性行波预激励的副边绕组结构辨识方法，该方法用于判断非接触电能传输装置中副边绕组的绕组结构为盘式结构，或是DD结构，其具体步骤如下：

(1)以预激励绕组中心为参考，确定磁场长轴移动的位置区间；其中，磁场长轴位置即为磁场波峰位置，短轴位置即为磁场波谷位置；

(2)对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励构成柔性行波磁场,使得其长轴在上述区间内变化；根据激励的电流大小及相位关系实时计算或查离线表得到相应的长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L，控制器检测、存储每组激励下的原边输入功率和/或副边输出功率，统称为Q，形成(x_m,Q/L²)数据表；变化激励，控制器得到Q/L²随x_m的变化趋势；

(3)控制器通过判断(x_m,Q/L²)数据表中Q/L²随x_m线性变化时的单/多峰特性来判断副边为盘式结构或DD结构。

5.根据权利要求4所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(2)中对预激励绕组施加电流幅值和/或相位可变的激励，采用固定绕组电流幅值改变电流相位或固定绕组电流相位改变电流幅值或恒定磁场幅度L激励的方式进行Q/L²的变化趋势判断；其中，恒定磁场幅度L激励下的电流相位关系由控制器实时计算或查表得到。

6.根据权利要求4所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(2)中原边输入功率/副边输出功率的计量方法为：若输入电压/输出电压恒定时，可用输入电流/输出电流大小表征输入功率/输出功率；若输入电流/输出电流恒定，可用输入电压/输出电压表征输入功率/输出功率。

7.根据权利要求4所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(2)中，Q/L²随x_m的变化趋势判断，采用固定步长遍历、滑动平均判断或变步长判断方法。

8.根据权利要求4或5所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(2)中，长轴位置x_m、短轴位置x_n、磁场幅度L与预激励绕组各线圈电流的激励关系，可由控制器根据麦克斯韦方程组、毕奥萨伐尔定律实时计算得到；或者由计算机根据上述定律离线计算生成离线表，或由Ansys、Comsol电磁场仿真软件通过仿真得到离线表，控制器通过查离线表得到不同x_m、x_n下的原边预激励线圈施加电流的幅值大小比例及相位关系；若给定原边各预激励线圈施加电流的幅值大小比例及相位关系，控制器通过查上述离线表可得该激励条件下对应的长轴位置x_m、短轴位置x_n以及磁场幅度L。

9.根据权利要求4所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(3)中，控制器通过判断(x_m,Q/L²)数据表中Q/L²的单/多峰特性来判断副边绕组结构的方法为：若其中Q/L²随x_m的移动呈单峰分布，则副边为盘式结构；若其中Q/L²随x_m的移动呈双峰或多峰分布，则副边为DD结构。

10.根据权利要求4所述的副边绕组结构辨识方法，其特征在于，步骤(2)中，

若原边预激励绕组单元由沿直线布置、重叠50％的两个独立线圈组成的，长轴位置x_m、磁场幅度L所需施加激励关系如式(1)所示：

当

或：

(1)

当

其中L表征磁场幅度,I₁、I₂为两个预激励线圈的电流大小，

为I₂相对于I₁相位差，a为预激励线圈宽度，x_m、x_n以原边绕组线圈最左侧为原点；当采用恒定磁场幅度L激励方式时，即调节I₁、I₂、

来保证L恒定；将施加激励的电流大小、相位带入上式可以计算得到x_m、x_n以及L；将所需的x_m、x_n、L的带入上述方程同样可以求解得到所需施加的电流激励大小及相位差。

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